Kommunikation mit E/A-Geräten

Im bisherigen Verlauf dieses Moduls sind bereits viele Beispiele gezeigt worden, bei denen das Steuerwerk der CPU mit Registern oder dem Hauptspeicher kommuniziert. Da ein Computer aber noch weitere Komponenten besitzt, muss auch die Kommunikation der CPU mit den sogenannten Peripheriegeräten möglich sein.

Peripheriegeräte sind:

• Festplatte
• Monitor
• Maus
• Tastatur
• etc.

Genaugenommen kommuniziert die CPU dann nicht direkt mit diesen Komponenten, sondern mit einem Controller, der speziell für die betreffende Komponente zuständig ist.

 Abb. : CPU, Interrupt-Controller, Speicherwerk und weitere Controller mit ihren Komponenten

CC-BY

Allgemeiner Aufbau eines Controllers

Genau wie die CPU besitzt auch der Controller eines Peripheriegeräts verschiedene Register. Üblich sind:

• Steuerregister
  Hier kann über das Bussystem ein Steuerbefehl an den Controller übergeben werden (ähnlich dem Befehlsregister auf der CPU).
• Datenregister
  Hier kann ein Datenwort hinterlegt, oder ein vom Peripheriegerät über den Controller bereitgestelltes Datenwort ausgelesen werden.
• Zustandsregister
  Hier hinterlegt der Controller jeweils Werte, die über den aktuellen Zustand des Controllers (oder Peripheriegeräts) Auskunft geben.

Anmerkung

In dem (oder den) Zustandsregister(n) können positive wie negative Zustände angezeigt werden, beispielsweise

• Ready: Controller ist bereit für den nächsten Steuerbefehl.
• Out of paper: Der an diesen Controller angeschlossene Drucker hat kein Papier mehr.

 Abb. : Allgemeiner Aufbau eines Controllers

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Zeit und Kosten machen den Unterschied

Zwei entscheidende Unterschiede bei der Kommunikation zwischen dem Steuerwerk und Registern, Hauptspeicher sowie den Controllern der weiteren Komponenten bestehen einerseits in der dafür benötigten Zeit, und andererseits in den Kosten, die eine technische Realisierung der betreffenden Komponenten verursacht.

Die Kommunikation zwischen Steuerwerk und Registern ist mit Abstand am schnellsten möglich. Beides ist auf der CPU angesiedelt, die Wege sind kurz und effizient ausgebaut. Nachteilig ist lediglich, dass alle Register der CPU zusammen nur recht wenig Speicherplatz bieten. Dies liegt an entsprechend hohen Kosten, welche die Integration (vieler) weiterer Register auf der CPU nach sich ziehen würde.

Anmerkung

Wunschvorstellung

Wäre es nicht ideal, wenn alle Programme und Daten, die du normalerweise auf deiner Festplatte gespeichert hast, direkt in Registern der CPU abgelegt wären? Du bräuchtest dann weder Festplatte noch Hauptspeicher und dein System würde konkurrenzlos schnell arbeiten!

Du kannst dir ausmalen, dass das technisch nicht möglich ist, oder?

Die Kommunikation zwischen Steuerwerk und Hauptspeicher ist - verglichen mit den Registern - bereits deutlich langsamer, jedoch immer noch recht schnell. Der Hauptspeicher ist speziell für eine schnelle Arbeitsweise konzipiert, er bietet auch deutlich mehr Platz als die Menge der CPU-Register. Nachteilig ist hier, dass der Inhalt des Hauptspeichers verloren geht, sobald der betreffende Computer ausgeschaltet wird.

Abhilfe schafft bei diesem Nachteil beispielsweise die Festplatte. Sie bietet üblicherweise deutlich mehr Speicherplatz als der Hauptspeicher und kann ihre Daten zudem dauerhaft (also auch über ein Ausschalten und einen Neustart des betreffenden Rechners hinaus) speichern. Leider ist die Kommunikation zwischen CPU und Festplatten-Controller erheblich langsamer als zwischen CPU und Hauptspeicher. Dafür liegen die Kosten für eine Festplatte (in Bezug zur Speicherkapazität) deutlich unter den Kosten für Hauptspeicher.

Anmerkung

Eine Festplatte kostet pro Gigabyte Speicherkapazität deutlich weniger, als ein Gigabyte Hauptspeicher. Dafür arbeitet der Hauptspeicher deutlich schneller.

Anmerkung

Tanenbaum 2009 nennt folgende näherungsweisen Vergleichswerte für die Zugriffe auf Daten:

• Die CPU kann 10 x schneller auf ein Register zugreifen, als auf den Arbeitsspeicher.
• Die CPU kann 1000 x schneller auf den Arbeitsspeicher zugreifen, als auf eine Festplatte.
• Ein Registerzugriff ist damit 10 000 x schneller als ein Festplattenzugriff.

Auch für die Kommunikation zwischen der CPU und allen weiteren Controllern der sonstigen Komponenten gilt: Es ist langsam.

Das folgende Video erläutert die Bedeutung von Interrupts bei der Kommunikation zwischen CPU und Ein- / Ausgabegeräten.

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 Med. : Platzhalter-Video

Bald erscheint hier der geplante Inhalt...

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Hinweis

Weiterführende Literatur

erläutert in Kapitel 5 (Ein- und Ausgabe) weitere Hintergründe zum Thema. Die Lektüre dieser Quelle sei ausdrücklich empfohlen.
Studierende sind oftmals berechtigt, eine PDF-Version dieses Buches ohne entstehende Kosten über ihre Hochschulen von Springerlink zu beziehen.

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